背景：
在治疗的选择性压力下，肿瘤动态进化出多种适应机制，使静态的基因组改变不足以指导治疗决策。临床研究无法评估肿瘤中的各种调节回路是如何随时间和空间受到治疗损伤的影响的。同样，通过复合和不断变化的分子信息来检测不同的精确肿瘤方法也很难在患者中实现。因此，需要结合人类癌症的生物学和遗传学，促进复杂变量的分析，并使足够的人群样本量精确定位随机分布的反应预测因子的临床前模型。患者来源的移植瘤(PDX)模型是动态的实体，其中癌症的进化可以通过小鼠的连续繁殖来监测。PDX模型还可以重现患者间的多样性，从而使分子定义的肿瘤亚群的反应生物标志物和治疗靶点的识别成为可能。
简介：
2022年9月23日，来自意大利都灵大学肿瘤系的Livio Trusolino教授课题组在Nat Rev Clin Oncol（IF: 65.0）杂志上发表题为“Towards precision oncology with patient-derived xenografts”的文章[1]。在这篇综述中，作者讨论了过去十年在精确肿瘤学中使用PDX模型的例子，从转化研究到药物发现。作者详细阐述了PDX模型的临床前观察如何以及在多大程度上证实和/或预期患者的发现。
主要结果：
肿瘤的异质性和进化。
在实体肿瘤中，癌细胞嵌入促进性肿瘤微环境(TME)中，该环境包括基质细胞，包括成纤维细胞和内皮细胞，以及先天和适应性免疫细胞。此外，癌细胞包含了大量不同的亚群，它们具有不同的表型和基因型特征，随着时间的推移，这些亚群不断地被塑造，自发的消耗动态和治疗施加的选择压力。由于肿瘤细胞组成的多样性和肿瘤内基因改变分布的异质性，PDX的建立涉及到随机事件的串联:(1)为产生可植入组织片段而进行的肿瘤次采样引入了一定程度的解剖学偏差；(2)一旦注射到小鼠体内，只有一小部分癌细胞能够移植，这降低了遗传多样性，因为最适合的和增殖最快的克隆(s)的竞争；(3) PDX序列传播可进一步加剧PDX的分化，这是由于突变进化和表型适应的时间和空间变化。
保存遗传特性。
目前的证据。拷贝数改变(CNAs)的结构是进化的，还是在小鼠PDX繁殖过程中保持稳定，是一个正在进行和激烈辩论的主题。在一项使用基因表达微阵列数据推断24种癌症类型的＞500个PDX模型的CNA谱的研究中，约60%的模型在一次传代中至少获得一个大的染色体异常，90%在前四次传代后获得。正如预期的创始人效应(模型启动施加了强大的选择压力)，基因组多样性在第一次传代和早期传代(多达7代)的PDXs中比在后传代(19代)更明显。
临床方面的考虑。即使在PDX模型与其起源肿瘤之间的分子保真度为90%的情况下，与模型推导和传播相关的瓶颈，加上癌症固有的基因组不稳定性，不可避免地引入一定程度的遗传偏差。这种差异可能不会影响克隆(或主干)突变的主导流行，它们预计在原始肿瘤和繁殖肿瘤中具有同等的代表性。
克隆动态性。
目前的证据。PDX的植入和扩增伴随着肿瘤克隆组织的改变。这种差异使得PDX模型成为追踪基因组多样性瘤内结构和将克隆竞争与适应度效应联系起来的万能工具，这对于分析异质癌细胞群的耐药性原理非常有用。乳腺癌和结直肠癌(CRC)是PDX模型中克隆动力学知识最先进的肿瘤类型。在一项开创性研究中，15个乳腺癌PDXs的单细胞分辨率基因组克隆分析揭示了初始克隆选择模式的强烈变异性，从克隆流行率的适度重塑到只代表原始种群的一小部分的小亚克隆的极端选择性植入(和随后的优势)。
临床方面的考虑。这一发现表明，在缺乏治疗的情况下，准备成为化学耐药的癌细胞亚群的竞争能力下降，表明耐药性具有进化适应度成本，原则上，可以通过治疗干预增加适应度成本。
图1：PDX模型作为追踪癌症克隆进化的动态工具
自适应药物耐受性。
目前的证据。肿瘤固有的基因组不稳定性有利于新突变的随机获取，其中一些突变为癌细胞提供了逃避治疗压力的选择性优势;未被特定处理消除的残留细胞池越大，产生耐药克隆的可能性就越高。耐受治疗的滞留细胞通常通过实施非遗传的耐药性机制来实现，这需要不同的表型适应模式。
临床方面的考虑。剩余PDX模型中描述的耐药表型，即在MAPK通路抑制的黑色素瘤中存在神经嵴干细胞标记，转移性结直肠癌中由西妥昔单抗诱导的Paneth细胞样转变，以及在长期暴露于化疗的结直肠癌模型中观察到的滞育状态，已在患者的治疗活检样本中得到验证。从而证实了PDX模型在重现患者肿瘤适应过程中的可靠性。
肿瘤成分。
目前的证据。肿瘤移植后，人基质细胞很快被小鼠基质细胞取代。因此，PDX转录组是人类和小鼠RNAs的混合物(分别来自癌症和基质细胞)。通过使用生物信息学方法去除小鼠基质细胞的贡献，PDX模型的嵌合组成已被用于在异种移植来源的大块样本中消除癌症与基质细胞的信号，从而允许对人类癌细胞特异性转录本进行量化。这一策略导致了对预后不良的CRC转录亚型CMS4的生物学基础的重新思考，该亚型最初被认为包括具有癌细胞上皮-间质转变特征的干样肿瘤。然而，物种特异性表达分析显示，CMS4相关转录本的存在主要是由于间质细胞的丰富而不是由于癌细胞获得间质表型。
临床方面的考虑。在常规诊断过程中，分离的活检样本可以从肿瘤中心核心(主要由癌细胞组成)或浸润前沿(有较高的基质细胞丰度)随机提取，解码不受基质细胞丰度影响的癌细胞特异性基因表达特征有助于将基质来源的瘤内异质性的混杂变量最小化。CRIS是一种全新的CRC分类，仅基于人类PDXs中癌细胞的转录组数据，在减少全组织定义的基因表达签名的解剖选择偏差方面被证明优于CRIS。虽然根据起源地区聚类大量肿瘤活检样本无法一致地将来自同一患者的样本分配到某个亚型，但CRIS准确地实现了根据起源患者聚类样本。
图2：利用PDX模型研究耐药持久性细胞的表型重接线
预测生物标记物的研究。
靶向治疗的反应只发生在基因易感肿瘤患者中，并可通过各种补偿机制减弱。
通过在与临床试验相兼容的规模上捕获患者间肿瘤多样性，PDX模型是合适的药物基因组平台，可以识别为潜在应答者丰富的分子决定因素。一些研究表明，PDX模型可靠地复制了在患者中观察到的反应分布，并概括了药物敏感性和生物标志物阳性之间的临床验证相关性。PDX模型也有助于前瞻性地发现分子定义肿瘤亚群中对新药物或改用药物的反应预测因子。
即将到来的实验方法。
人源化的小鼠PDX模型。
PDX模型在严重免疫缺陷的小鼠中生长和进化，人类基质细胞在连续的传代中被小鼠成分取代。因此，PDXs在本质上不适合概括癌症、基质细胞和免疫细胞之间的异型相互作用。在某些情况下，小鼠基质细胞产生的细胞因子和生长因子与人类癌细胞表达的受体不发生交叉反应，反之亦然，这一事实加剧了这种限制；这种PDXs中缺乏物种兼容的TME使得评估TME对药物敏感性的贡献变得困难，并使靶向TME成分的药物的药效学生物标志物的识别复杂化，如抗血管生成药物。
斑马鱼PDX模型。
PDX实验是出了名的昂贵，劳动密集型和耗时。因此，初步尝试利用非哺乳动物模型生物(特别是斑马鱼)在规模、成本和时间方面的逻辑优势进行药物活性的表型测试。在其幼体发育的早期，斑马鱼没有良好的适应性免疫系统，因此适合接受异种移植的人体组织。在接受5-氟尿嘧啶奥沙利铂辅助治疗后没有复发的CRC患者的斑马鱼幼体PDXs暴露于这种化疗方案后，相对于有临床证据早期复发的患者的斑马鱼幼体PDXs有更多的凋亡细胞。此外，与临床观察一致的是，含有KRAS突变肿瘤的斑马鱼PDX模型对西妥昔单抗没有反应。
图3：区分肿瘤细胞和基质细胞在PDX模型中的作用
将来的方向。
最终，我们设想了一个越来越复杂的场景，基于PDX的小鼠实验固有的后勤负担将会减少，首先使用不那么费力的模型(如类器官和斑马鱼)进行初步药物筛选，然后在小鼠中验证优先打击。这种逐步的方法可能会促进使用患者来源的模型来研究临床可操作的靶点，如那些与癌症代谢和表观遗传修饰相关的靶点，传统上使用传统细胞系进行研究。
结论和展望：
PDX模型已被证明在临床前空间探索精准肿瘤的许多不同方面有价值。使用PDX模型来研究肿瘤进化的克隆动力学，为治疗过程中对选择性压力的遗传和适应性反应如何限制治疗效果提供了大量的知识。包含特定癌症类型的分子多样性的PDX知识库在识别预测对特定治疗的敏感性或耐药性的生物标志物方面非常有用，从而改善临床决策和合理的患者分层。分子富集应答者群体的识别也刺激了临床转译假设，进而导致新的药物靶点的发现和新疗法的设计。
肿瘤不仅依赖突变基因，而且还依赖更难以捉摸的非遗传因素，这一事实日益得到重视，强调了在PDX库中增加癌症类型的代表性和深化其分子特征的重要性。我们相信，体外和体内临床前模型的改进和扩展，加上功能扰动方法的日益增长的潜力，将提供前所未有的机会，系统地识别癌症，并找到有效的方法，首先在临床前实验，然后在患者中靶向它们。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41571-022-00682-6
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